что такое разрядность микропроцессора
Основные характеристики микропроцессоров
Характеристики универсальных микропроцессоров:
Применительно к микропроцессору, различают три вида разрядности:
1. Разрядность регистров микропроцессора;
2. Разрядность шины данных;
3. Разрядность шины адреса.
Например, у Intel 8088 и Intel 8086 адресная шина имела 20 проводников. Наибольший размер оперативной памяти у компьютеров с таким микропроцессором был не более 2 20 = 1048 000 байт, т.е. 1 Мбайт. У процессора следующего поколения, Intel 80286, была 24-разрядная шина адреса, что увеличило максимум адресуемой оперативной памяти до 16 Мб. Начиная с Intel 80386, микропроцессоры Intel длительное время имели 32-битную шину адреса и соответственно адресное пространство 4 Гб.
2. Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, — чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.
Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»
Пусть у нас имеется процессор AMD Athlon Core 2/3,5 HHz, пусть процессор выполняет 4 операции за 1 такт времени в каждом ядре, вычислим его производительность: 4 х 4 х 3,5 ГГц = 56 (Гигафлопс) или 56 миллиардов операций в 1 секунду.
Надо помнить, что количество тактов выполняемых процессором не всегда совпадает с фактическим количеством операций в 1 секунду!
И вот почему:
1) для выполнения многих математических операций процессору требуется несколько тактов,
2) конкретное количество операций зависит от типа процессора (чем выше тип, тем меньше требуется количество тактов на выполнение операций),
3) компоненты физической схемы компьютера влияют на скорость выполнения,
4) быстродействие в основном определяется тактовой частотой процессора, чем она выше, тем больше скорость выполнения операций в 1 секунду!
Выполнение различных элементарных операций может занимать от долей такта до многих тактов в зависимости от команды и процессора. Общая тенденция заключается в уменьшении количества тактов, затрачиваемых на выполнение элементарных операций.
5. Объем кэш-памяти, которая имеет два уровня: L1 – память 1-го уровня, находящаяся внутри основной микросхемы микропроцессора и работающая всегда на полной частоте микропроцессора; L2 – память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате микропроцессора и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной, может работать на полной или половинной частоте микропроцессора.
6. Архитектура МП. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы. Выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.
Микроархитектура микропроцессора – это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.
Макроархитектура – это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.
Что такое разрядность процессора
Разрядностью процессора называется количество бит в обрабатываемых им числах, записанных в двоичной системе счисления. Эта техническая характеристика процессора является одной из самых важных, потому что определяет его быстродействие.
Поэтому для конструкторов так важно было увеличить разрядность процессоров. В современных персональных компьютерах работают 64-разрядные процессоры. Но так было не всегда, первые микропроцессоры Intel в 1970 году были всего лишь 4-разрядными.
Чтобы было понятнее, о чем идет речь, необходимо немного рассказать о том, что такое двоичная система счисления, что такое бит и как они связаны с разрядностью процессора.
Если не вдаваться в детали, компьютеры обрабатывают информацию, загружая числа в двоичной системе счисления из оперативной памяти в центральный процессор, обрабатывая их и записывая полученный результат обратно в память.
Основой компьютерной индустрии является двоичная система счисления. В обычной жизни мы привыкли использовать десятичную систему счисления, где все числа записываются десятью цифрами от 0 до 9. Двоичная система счисления использует для записи чисел всего две цифры: 0 и 1.
При хранении в памяти каждая цифра числа хранится в отдельной ячейке памяти. Эти единицы измерения информации в двоичной системе счисления называются битами.
Каждый процессор обрабатывает числа, которые имеют определенное количество разрядов. Разряд – это «рабочее место» цифры в числе. Например, в привычной нам десятичной системе счисления разряды называются десятками, сотнями, тысячами и так далее.
Чем больше у числа разрядов, тем больше это число. При этом каждая цифра числа записывается на месте, соответствующем ее разряду.
Каждый бит числа в двоичной форме используется для записи одного разряда этого числа. В каждой ячейке оперативной памяти процессора хранится один бит, хранящий один разряд числа. Получается, что для хранения больших чисел необходимо большое количество разрядов и памяти процессора под них.
Максимальное число разрядов и бит в числах, с которыми может работать процессор, называется разрядностью процессора.
Разрядность процессора в первую очередь влияет на скорость работы процессора с данными, потому что узким местом, сдерживающим рост скорости работы процессора, оказалась скорость передачи данных между процессором и памятью. А чем больше разрядов у передаваемых чисел, тем эти числа больше и тем больше информации передается за один раз между процессором и памятью, тем выше быстродействие процессора.
Микропроцессор должен быть шестнадцатиразрядным (формальное обоснование)
Берём всё бесконечное и неопределимое множество возможных реализаций микропроцессора и выделяем ключевые параметры, определяющие его архитектуру:
R — разрядность (ширина единицы памяти в битах)
A — количество адресуемых единиц памяти (объём адресного пространства)
C — количество исполняемых команд (объём командного пространства)
Задаём ключевое условие, способствующее целостности и завершённости информационной модели (и как следствие — эффективности и удобству в использовании устройства, реализованного на её базе):
Соблюдение данного условия означает, что любая ячейка способна вместить адрес любой другой ячейки, а также содержит исчерпывающую информацию о выполняемом действии. Уменьшение адресного пространства чревато ссылками на несуществующую память, а увеличение — избыточной информацией, необходимой для обеспечения возможности адресовать всю память. То же самое с командным пространством. Таким образом наше гипотетическое множество не перестаёт быть бесконечным, зато становится более определимым.
Существуют ли другие условия, удовлетворяющие перечисленным выше критериям и очевидные без углубления в детали разработки низкоуровневой архитектуры? Да, по крайней мере одно такое условие существует:
Соблюдение данного условия означает, что для задания номера любого бита в ячейке требуется целое число бит (опять же, избыток или недостаток здесь нежелателен из соображений удобства написания и надёжности работы машинного кода).
Очевидно, что n=4 — это минимальное приемлемое значение, поскольку 256 байт памяти при n=3 годится разве что для программирования ёлочных гирлянд. При n=5 получаем объём памяти, соответствующий последним достижениям в сфере ИТ. Но если считать главным назначением памяти, адресуемой процессором, хранение машинного кода (движка), а данные, которыми манипулирует этот движок, вынести за пределы адресного пространства (то есть если исходить из представления, что их носителями будут внешние устройства), то такой объём памяти (16 Гб) будет явно избыточным. Действительно, в ОЗУ современных компьютеров на долю машинного кода приходится лишь малая части памяти, всё остальное — данные. Кроме того, разделение кода и данных на аппаратном уровне вполне согласуется с представлением о хорошем стиле как проектирования микропроцессора, так и программирования на его асемблере. В мегабит машинного кода, написанного на эффективном асме (при условии вынесения данных за пределы адресуемого процессором ОЗУ), можно вместить полноценную ОСь. Если же этой памяти окажется недостаточно (например, для реализации многозадачности), можно использовать несколько процессоров, ведь «разделение труда» в области ИТ тоже, как правило, способствует удобству разработки программ и эффективности их функционирования. В принципе, для реализации многозадачности ничего не мешает обойтись и одним процессором: можно, скажем, реализовать быстрый интерфейс обмена данными между ОЗУ и внешней памятью — благо, небольшой объём ОЗУ позволяет обновлять его не последовательно, а параллельно (одним «кадром»), так что любой участок процессорной памяти можно будет перезаписать за считанные такты.
Я это всё к тому, что любые препятствия, вызванные ограничением объёма адресуемой памяти до одного мегабита, несложно обойти посредством аппаратной реализации обмена данными с внешней памятью. Преимуществу же использования именно шестнадцатиразрядной архитектуры, помимо приведённых выше соображений, можно дать формальное обоснование, а именно:
Соблюдение данного условия означает, что в одной ячейке памяти можно разместить целое число значений в диапазоне [ 0..R-1 ] (например, для n=5 это условие не соблюдается — в данном случае R, равное 32-м битам, не делится на 5 без остатка). Поскольку разрядность процессора является фундаментальным параметром, такое свойство может оказаться в дальнейшем весьма полезным.
Ну и наконец главным аргументом в пользу числа 16, положенного в основу низкоуровневой архитектуры, является то обстоятельство, что оно задаёт оптимальный объём командного пространства — примером тому может послужить процессор PDP-11 (впрочем как и большинство современных процессоров, расширение разрядности которых практически не сказалось на их системе команд).
Для наглядности приведу последовательность, отражающую фундаментальность приведённых выше обоснований:
2 ^ 0 = 1
2 ^ 1 = 2
2 ^ 2 = 4 ( = n )
2 ^ 4 = 16 ( = R )
2 ^ 16 = 65536 ( = A = C )
Что такое разрядность процессора (32/64)
Разрядность процессора — один из его основных параметров, определяющих, какое количество бит информации обрабатывают регистры процессора за период одного такта.
Основной перелом в развитии процессоров произошел в 2002 году, когда компания AMD представила впервые рынку «расширенный» процессор с 64 битной архитектурой. Не на много отстав от конкурентов, в том же году компания Intel выпускает свой процессор, заменив линейку 32 разрядных процессоров 64 разрядными.
Конечно, в настоящее время маркировки и обозначения процессоров изменились, но общая суть осталась прежней. Процессоры представлены в двух вариантах архитектуры регистров 32 и 64 бита. Современные процессоры выпускаются в 64 битном варианте исполнения архитектуры, что совсем не означает невозможность запуска на них программных решений ориентированных на 32 разрядные ЦП.
Визуально определить разрядность СРП можно по нанесенной на корпус маркировке или служебному названию изделия, например х86 от AMD или ЕМ64Т, где под маркировкой х86 подразумевается поколение процессора.
Основные понятия разрядности процессора
Для оптимизации вычислительных процессов, и получения максимума производительности, необходимо устанавливать на компьютер операционную систему с разрядностью соответствующей архитектуре процессора. Установив 32 битную операционную систему на компьютер с 64 битным процессором, вы потеряете не только в быстродействии системы, но и в объеме оперативной памяти, ОС рассчитанные на сборку 32 разрядной архитектуры «не видят» оперативную память более 4 Гб. В то же время сборка из операционной системы и процессора с одинаковыми архитектурами разрядности поддерживает объем оперативной памяти уже до 16 Гб.
В целом, для рядового пользователя ПК, разница между двумя архитектурами не принципиальна, и кроме объема оперативной памяти на использование компьютера никак не влияет. Если же информация об архитектуре необходима, можно воспользоваться сторонними программными продуктами, как пример приложение CPU-Z, позволяющее в кратчайшие сроки проанализировать архитектуру системы и выдать результат в визуально удобном для пользователя виде.
Что такое разрядность микропроцессора
Основные характеристики микропроцессора
Микропроцессор характеризуется:
1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;
2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.
В общем случае под архитектурой ЭВМ понимается абстрактное представление машины в терминах основных функциональных модулей, языка ЭВМ, структуры данных.
Структура типового микропроцессора
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ показана на рис. 2.1 Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации.
Рис. 2.1. Архитектура типового микропроцессора.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру, для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных операций:
1. Нажать клавишу с буквой «А» на клавиатуре.
2. Поместить букву «А» в память микроЭВМ.
3. Вывести букву «А» на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в микроЭВМ.
На рис. 2.2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.
Рис. 2.2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода.
Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал, устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду («Ввести данные») по шине данных, и МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд «Из порта 1». Этот операнд находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1) передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную команду («Ввести данные из порта 1»).
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт 1. Цифровой код буквы «А» передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти программ в режим считывания.
7. Код команды «Запомнить данные» подается на ШД и пересылается в МП, где помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения «В ячейке памяти 200». МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда «Запомнить данные в ячейке памяти 200» выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код буквы «А» передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем по-прежнему находится код буквы «А».
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда «В порт 10», который далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду «Вывести данные в порт 10». С помощью ША и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код буквы «А» (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква «А» выводится через порт 10 на экран дисплея.
В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные различия возможны в блоках ввода и вывода информации.
Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти программ.
Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
— выборку команд программы из основной памяти;
— дешифрацию команд;
— выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;
— управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;
— отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;
— управление и координацию работы основных узлов МП.